Former des images et décrire la lumière par un flux de photons

Les notions à connaître

Lunette astronomique afocale

Instrument formé d'un objectif et d'un oculaire convergents, disposés de sorte que le foyer image de l'objectif soit confondu avec le foyer objet de l'oculaire. D'un objet à l'infini, elle donne une image à l'infini.

Objectif et oculaire

L'objectif, de grande distance focale, forme l'image intermédiaire dans son plan focal image ; l'oculaire, de petite distance focale, sert de loupe pour observer cette image.

Grossissement

Rapport $G = \dfrac{\alpha'}{\alpha}$ entre l'angle sous lequel on voit l'image dans l'instrument et l'angle sous lequel on voit l'objet à l'œil nu. Pour une lunette afocale, $G = \dfrac{f'_1}{f'_2}$.

Photon

Particule associée à la lumière, de masse nulle, se déplaçant à la vitesse $c$ dans le vide et transportant l'énergie $E = h\,\nu$.

Effet photoélectrique

Émission d'électrons par un métal éclairé. Elle n'a lieu que si la fréquence de la lumière dépasse une fréquence seuil propre au métal, quelle que soit l'intensité lumineuse.

Travail d'extraction

Énergie minimale $W_{\text{ext}}$ qu'il faut fournir pour arracher un électron à un métal, souvent donnée en électronvolts. Un photon d'énergie $h\,\nu$ supérieure laisse à l'électron l'énergie cinétique maximale $E_{c,\max} = h\,\nu - W_{\text{ext}}$.

Cellule photovoltaïque

Dispositif qui convertit l'énergie lumineuse reçue en énergie électrique. Son rendement est $\eta = \dfrac{P_{\text{élec}}}{P_{\text{lum}}}$.

Les erreurs à éviter en physique-chimie

• ✗ Croire qu'une lumière assez intense finira par arracher des électrons.

  ✓ Sous la fréquence seuil, aucun électron n'est émis, quelle que soit l'intensité : chaque électron reçoit l'énergie d'UN photon. L'intensité ne change que le nombre de photons, donc d'électrons.

• ✗ Inverser objectif et oculaire dans le grossissement.

  ✓ $G = \dfrac{f'_{\text{objectif}}}{f'_{\text{oculaire}}}$ est supérieur à 1 : l'objectif a la plus grande distance focale.

• ✗ Croire que l'énergie d'un photon augmente avec sa longueur d'onde.

  ✓ $E = \dfrac{h\,c}{\lambda}$ : l'énergie est INVERSEMENT proportionnelle à la longueur d'onde. Un photon ultraviolet est plus énergétique qu'un photon rouge.

Sais-tu répondre à ces questions ?

Les corrigés détaillés sont dans le quiz du chapitre.

1. Dans une lunette astronomique, l'objectif est :
2. Une lunette afocale a un objectif de distance focale $f'_1 = 1\,000\;\text{mm}$ et un oculaire de distance focale $f'_2 = 25\;\text{mm}$. Son grossissement vaut :
3. Le photon :
4. L'énergie d'un photon de longueur d'onde $\lambda = 600\;\text{nm}$ vaut ($h = 6{,}63 \times 10^{-34}\;\text{J}\cdot\text{s}$, $c = 3{,}00 \times 10^{8}\;\text{m}\cdot\text{s}^{-1}$) :
5. On éclaire un métal avec une lumière dont la fréquence est inférieure à sa fréquence seuil, puis on augmente fortement l'intensité de cette lumière. Que se passe-t-il ?